CN109716079B - 分光器、波长测量装置以及光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

用于测量输入光的光谱的分光器(100、200)，具备：条纹形成器，通过分离输入光，从而形成具有第一间距的第一条纹；衍射光栅(103)，使第一条纹色散；莫列波纹形成器，通过将被色散的第一条纹与具有第二间距的第二条纹重叠，从而形成莫列波纹，第二间距是与第一间距不同的间距；以及摄像元件(107)，通过检测莫列波纹，从而测量输入光的光谱，条纹形成器和莫列波纹形成器中的至少一方，包含柱面透镜阵列(101、205)。

Description

分光器、波长测量装置以及光谱测量方法

技术领域

本发明涉及测量输入光的光谱的分光器及光谱测量方法、以及测量输入光的波长的波长测量装置。

背景技术

以往在光的波长或光谱的测量中，使用针对光的波长具有角度色散特性的色散元件(例如，衍射光栅，棱镜或标准具等)或者干涉仪等(例如，参考专利文献1)。

在这样的测量中，能够测量的光频带(以下称为测量频带)的宽度与分辨率的高度具有权衡关系。一般的分辨率，在测量频带宽的情况下，达到几纳米左右，在测量频带窄的情况下是几微微米左右。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1∶日本特开2016-057224号公报

发明内容

发明要解决的课题

为了说明现有技术的课题，首先说明专利文献1公开的分光器。图1是示出专利文献1公开的分光器10的构成的图。分光器10具备第一狭缝阵列12、衍射光栅14、第二狭缝阵列17。

第一狭缝阵列12，具有以第一间距p1排列的多个狭缝。衍射光栅14是反射型衍射光栅，具有针对光的波长衍射角度发生变化的特性(角度色散特性)。第二狭缝阵列17，具有以与第一间距p1不同的第二间距p2排列的多个狭缝。在此，通过检测将第一狭缝阵列12的成像(被色散的第一条纹)与第二狭缝阵列17(第二条纹)重叠而生成的莫列波纹，从而测量输入光的光谱。

莫列波纹(Moire pattern)是，在重叠了多个周期的图样的情况下，由该多个周期的图样的周期的偏差，作为拍频而产生的图样。莫列波纹的位置(换言之，莫列波纹中的高亮度区域的位置)，按照多个周期的图样的位置关系，而发生很大的变化。换言之，按照输入光的波长，莫列波纹的位置的变化，比第一狭缝阵列12的成像的位置的变化还大。

因此，通过测量莫列波纹，能够测量输入光的光谱。此时，为了提高输入光的光谱的分辨率，除了使第一间距p1与第二间距p2的差变小，还需要使莫列波纹的高亮度区域的宽度变小，从而要求第一狭缝阵列12以及第二狭缝阵列17的各个狭缝宽度，更加狭窄化。换言之，要求第一条纹以及第二条纹各自的纵横比高，该纵横比是低亮度区域的宽度相对于高亮度区域的宽度的比。

然而，狭缝宽度在制造上有界限。此外，狭缝宽度的狭窄化，会产生光量损失的增加，难以测量微弱光的光谱。因此，在光谱测量中，狭缝阵列的纵横比的提高(换言之，开口率的减少)被限制，从而光谱分辨率的提高也被限制。

于是，本发明提供在利用莫列波纹测量光谱时，能够提高光谱的分辨率的分光器。

解决课题所采用的手段

本发明的一个方案涉及的分光器，用于测量输入光的光谱，所述分光器具备：条纹形成器，通过分离所述输入光，从而形成具有第一间距的第一条纹；色散元件，使所述第一条纹色散；莫列波纹形成器，通过将被色散的所述第一条纹与具有第二间距的第二条纹重叠，从而形成莫列波纹，所述第二间距是与所述第一间距不同的间距；以及所述条纹形成器和所述莫列波纹形成器中的至少一方，包含柱面透镜阵列。

通过该构成，条纹形成器以及莫列波纹形成器中的至少一方包含柱面透镜阵列。在柱面透镜阵列中，射入到各个柱面透镜的光聚光到对应的线上。换言之，柱面透镜阵列，因为具有柱面透镜的宽度的狭窄化的效果以外，还具有聚光效果，所以能够比起狭缝阵列，使条纹的高亮度区域的宽度更加狭窄化。进而，柱面透镜阵列，不像狭缝阵列一样遮挡输入光，所以能够抑制光量损失。换言之，分光器使用柱面透镜，而不使用狭缝阵列，从而能够抑制光量损失，还能提高光谱的分辨率。

例如，所述条纹形成器，可以包含形成所述第一条纹的柱面透镜阵列。

通过该构成，条纹形成器可以包含柱面透镜阵列。因此能够形成具有窄宽度的高亮度区域，换言之具有高纵横比的第一条纹。进而，能够抑制在形成第一条纹中的光量损失。例如，第一条纹纵横比是10的情况下，光量损失能够比使用狭缝阵列的情况，减少到十分之一以下。

例如，所述莫列波纹形成器，可以包含形成所述莫列波纹的柱面透镜阵列，所述测量器，可以在所述莫列波纹形成器的所述柱面透镜阵列的焦点位置，检测所述莫列波纹。

通过该构成，莫列波纹形成器能够包含柱面透镜阵列。因此，能够比起狭缝阵列的情况，更能减少光量损失。此外，在莫列波纹形成器使用狭缝阵列的情况下，在狭缝阵列的位置上，形成莫列波纹。因此，为了排除在莫列波纹的检测中，焦点偏差引起的模糊的影响，需要转像透镜等，以使在与狭缝阵列隔开的位置上成像莫列波纹。另一方面，在莫列波纹形成器使用柱面透镜阵列的情况下，在从柱面透镜阵列隔开的位置(焦点位置)形成莫列波纹。因此，测量器，能够在柱面透镜阵列的焦点位置检测莫列波纹。换言之，能够在莫列波纹形成的位置上设置测量器，从而不需要转像透镜。其结果，能够减少部件的数量，能够使分光器小型化。

本发明的一个方案涉及的波长测量装置，用于测量输入光的波长，所述波长测量装置具备：条纹形成器，通过分离所述输入光，从而形成具有第一间距的第一条纹；色散元件，使所述第一条纹色散；莫列波纹形成器，通过将被色散的所述第一条纹与具有第二间距的第二条纹重叠，从而形成莫列波纹，所述第二间距是与所述第一间距不同的间距；以及所述条纹形成器和所述莫列波纹形成器中的至少一方，包含柱面透镜阵列。

通过该构成，能够具有与所述分光器同样的效果，能够抑制光量损失，还能够提高波长的分辨率。

另外，这些概括或者具体的方案，可以通过系统、方法、集成电路、计算机程序或者计算机可读取的CD-ROM等记录介质来实现，也可以任意组合系统、方法、集成电路、计算机程序以及记录介质来实现。

发明效果

本发明的一个方案涉及的分光器，在利用莫列波纹测量光谱时，能够提高光谱的分辨率。

附图说明

图1是示出专利文献1公开的分光器的构成的图。

图2是示出实施方式1涉及的分光器的构成的图。

图3是实施方式1涉及的柱面透镜阵列的斜视图。

图4是示出实施方式1的被色散的第一条纹与第二条纹重叠的图。

图5是示出输入光为第一波长的单色光的情况下，莫列波纹的检测结果的图。

图6是示出输入光为第二波长的单色光的情况下，莫列波纹的检测结果的图。

图7是用于说明光谱的测量原理的图。

图8是示出实施方式1涉及的光谱测量方法的流程图。

图9是示出实施方式2涉及的分光器的构成的图。

图10是实施方式2涉及的柱面透镜阵列的斜视图。

图11是示出实施方式3涉及的分光器的构成的图。

图12A是示出一般的分光器中色散光的检测结果的图表。

图12B是示出实施方式3涉及的分光器中的莫列波纹的检测结果的图表。

具体实施方式

以下参考附图来具体说明实施方式。

以下说明的实施方式均表示概括的或者具体的例子。以下的实施方式示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形式、步骤、步骤的顺序等都是一个例子，主旨不是限制本申请。此外，在以下实施方式的构成要素中，表示最上位概念的方案中没有记载的构成要素，作为任意的构成要素来说明。

此外，各图是示意图，并非是严谨的图示。此外，在各图针对相同的构成部件赋予相同的符号。此外，在以下实施方式中，有时使用大致相同这样的表现方法。例如大致相同不仅表示完全相同的意思，也表示实质上相同，即包含几％左右的误差。

(实施方式1)

以下参考附图来说明实施方式1。

[分光器的构成]

图2是示出实施方式1涉及的分光器100的构成的图。图3是实施方式1涉及的柱面透镜阵列101的斜视图。

如图2所示，分光器100具备：柱面透镜阵列101、第一透镜102、衍射光栅103、第二透镜104、狭缝阵列105、第三透镜106、摄像元件107。

柱面透镜阵列101是通过分离输入光110，从而形成具有第一间距p1的第一条纹111的条纹形成器的一例。换言之，柱面透镜阵列101，从输入光110复制多个线状光。如图3所示，柱面透镜阵列101，具有以第一间距p1(例如，约0.5mm)在水平方向上排列的多个柱面透镜。

通过射入到各柱面透镜的光，聚光到对应的线上，从而形成第一条纹111，其由具有狭小宽度的多个线构成。这个线相当于狭缝阵列的狭缝，形成高亮度区域。此时，柱面透镜阵列101，能够形成具有10以上的纵横比的第一条纹111。

第一透镜102是用于使第一条纹111的光成为平行光的准直透镜。

衍射光栅103是使第一条纹色散的色散元件的一例。在本实施方式中，衍射光栅103是具有针对光的波长，衍射角度发生变化的特性(角度色散特性)的反射式衍射光栅。另外，色散元件不限定于衍射光栅。

第二透镜104是用于将由衍射光栅103色散的光，聚光在狭缝阵列105上的透镜。换言之，第二透镜104在狭缝阵列105上形成被色散的第一条纹112。

狭缝阵列105是将被色散的第一条纹112与具有第二间距p2(例如，约0.42mm)的第二条纹重叠，从而形成莫列波纹113的莫列波纹形成器的一例，所述第二间距p2是与第一间距p1不同的间距。狭缝阵列105，在与被色散的第一条纹112同一个方向上，以第二间距p2排列多个狭缝来形成第二条纹。

莫列波纹是在多个周期的图样重叠的情况下，由该多个周期的图样的周期的偏差产生拍频的图样。莫列波纹的位置(换言之在莫列波纹中的亮度的峰值位置)，根据多个周期的图样的位置关系而变化。

利用莫列波纹113对输入光110的光谱进行测量的原理，利用附图来后述。

第三透镜106，是用于使狭缝阵列105紧之后形成的莫列波纹113，在摄像元件107的摄像面上成像的透镜。

摄像元件107是通过检测莫列波纹113，来测量输入光110的光谱的测量器的一例。摄像元件107是例如CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)图像传感器或者CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor：互补金属氧化物半导体)图像传感器等的固体摄像元件。

[光谱的测量原理]

下面，参考附图说明利用莫列波纹的光谱的测量原理。图4是示出实施方式1中被色散的第一条纹与第二条纹重叠的图。图5是示出输入光110为第一波长的单色光的情况下，莫列波纹的检测结果的图。图6是示出输入光110为第二波长的单色光的情况下，莫列波纹的检测结果的图。图7是用于说明光谱的测量原理的图。

例如，在输入光110是单色光的情况下，由衍射光栅103色散的第一条纹112，具有与第一条纹111同样的条纹图样。换言之，被色散的第一条纹112，具有与第一条纹111同样的单色条纹图样。将这样色散的第一条纹112，与作为第二条纹来发挥作用的狭缝阵列105重叠，从而如图4所示，形成莫列波纹113。此时，被色散的第一条纹112的位置，依存于输入光110的波长，所以莫列波纹113也依存于输入光的波长。

在此，参考图5以及图6来更详细地说明根据被色散的第一条纹112和狭缝阵列105对输入光110的光谱进行测量的原理。在此，说明输入光110为单色光的情况。

在图5以及图6，(a)示出被色散的第一条纹112和摄像元件107的像素107p的位置关系。此外，(b)示出被色散的第一条纹112以及摄像元件107的像素107p，与狭缝阵列105的位置关系。(c)示出摄像元件107的像素107p的各自检测的亮度。

在输入光具有第一波长的情况下，图5的(a)所示形成被色散的第一条纹112a。而且，如图5的(b)所示，通过被色散的第一条纹112a与狭缝阵列105的重叠，产生莫列波纹。

其结果，如图5的(c)所示，在各像素，检测出莫列波纹的亮度。在此，在像素P5检测出亮度的峰值。

另一方面，在输入光具有第二波长的情况下，形成如图6的(a)所示的被色散的第一条纹112b。被色散的第一条纹112b，比被色散的第一条纹112a，向右偏移了小于一个像素的距离。这是因为第一波长的输入光和第二波长的输入光，在衍射光栅103中的衍射角度不同。

如图6的(b)所示，通过被色散的第一条纹112b与狭缝阵列105重叠，产生莫列波纹。其结果，如图6的(c)所示，在各像素检测出莫列波纹的亮度。在这里，在像素P4检测出亮度的峰值。换言之，图6中的莫列波纹，相对于图5的莫列波纹，向左偏移了一个像素。

这样被色散的第一条纹112(游尺)与狭缝阵列105(主尺)的重叠而产生的莫列波纹的位置的变化，比被色散的第一条纹112的位置的变化大。因此，分光器100，能够检测被色散的第一条纹112的微小的位置的变化，能够辨别输入光的微小的波长的差异。

通过这样的间距不同的两个刻度(主尺和游尺)的重叠，从而能够放大游尺的微小的变化来测量，这称为游尺(微调)效果。换言之，分光器100，利用游尺效果，能够提高根据主尺的分辨率决定的频带中的光谱的分辨率。

另外，以上说明了输入光为单色光的情况，在输入光包含多个波长的光的情况下，也能够与所述同样，测量各波长的光的强度。如图7所示，输入光110，通过柱面透镜阵列101而分离，形成第一条纹111。进而，第一条纹111，通过衍射光栅103被色散，形成被色散的第一条纹112。此时，被色散的第一条纹112的各个高亮度区域，具有输入光110的光谱分布。通过被色散的第一条纹112与狭缝阵列105重叠，从而形成莫列波纹113。在该莫列波纹113中，各个高亮度区域的光谱分布被拉伸，能够提高光谱测量的分辨率。

[光谱的测量方法]

下面说明如上述构成的分光器100的光谱的测量方法。图8是示出实施方式1涉及的光谱测量方法的流程图。

首先，柱面透镜阵列101通过分离输入光110，来形成第一条纹111(S101)。衍射光栅103，使第一条纹111色散，形成被色散的第一条纹112(S102)。被色散的第一条纹112，与由狭缝阵列105形成的第二条纹重叠，形成莫列波纹113(S103)。摄像元件107，通过检测莫列波纹113，测量输入光110的光谱(S104)。

[效果]

如上所述，通过本实施方式涉及的分光器100，条纹形成器能够包含柱面透镜阵列101。在柱面透镜阵列101，射入到各柱面透镜的光，聚光到对应的线上。换言之，柱面透镜阵列101，通过柱面透镜的宽度的狭窄化的效果再加上聚光的效果，条纹的高亮度区域的宽度能够比狭缝阵列更加狭窄化。进而，柱面透镜阵列101，不像狭缝阵列一样遮住输入光110，所以能够抑制光量损失。换言之，分光器100使用柱面透镜，而不使用狭缝阵列，从而能够抑制光量损失，并且能够提高光谱的分辨率。

尤其是条纹形成器包含柱面透镜阵列101，从而能够形成宽度窄的高亮度区域，换言之形成具有高纵横比的第一条纹。进而，能够抑制在形成第一条纹中的光量的损失。例如，第一条纹的纵横比是10时，比起使用狭缝阵列的情况，光量损失能够减少到十分之一以下。

(实施方式2)

以下参考附图来说明实施方式2。实施方式2涉及的分光器与所述实施方式1的不同之处在于，在输出侧使用了柱面透镜阵列，而不使用狭缝阵列。下面，以与所述实施方式1不同点为中心，说明实施方式2。

[分光器的构成]

图9是示出实施方式2涉及的分光器200的构成的图。图10是实施方式2涉及的柱面透镜阵列205的斜视图。在图9，针对与图2大致相同的构成要素赋予相同的符号，适当省略说明。

如图9所示，分光器200具备：狭缝阵列201、第一透镜102、衍射光栅103、第二透镜104、柱面透镜阵列205、摄像元件207。

狭缝阵列201是通过分离输入光110，从而形成具有第一间距p1的第一条纹211的条纹形成器的一例。狭缝阵列201，具有以第一间距p1排列在水平方向上的多个狭缝。换言之，第一条纹211，具有以第一间距p1排列在水平方向上的多个线。

柱面透镜阵列205，是将被色散的第一条纹212与具有第二间距p2的第二条纹重叠，从而形成莫列波纹213的莫列波纹形成器的一例，所述第二间距p2是与第一间距p1不同的间距。柱面透镜阵列205具有在被色散的第一条纹212相同方向上，以第二间距p2排列的多个柱面透镜。莫列波纹，通过将第一条纹与柱面透镜阵列(第二条纹)重叠来形成(非专利文献1:A Livnat,O.Kafri,"Moire pattern of a linear grid with alenticulargrating",OPTICS LETTERS,Optical Society of America,June 1982,Vol.7,No.6,p.253-255)。

摄像元件207是在柱面透镜阵列205的焦点位置上检测莫列波纹213的测量器的一例。摄像元件207是例如CCD图像传感器或者CMOS图像传感器等的固体摄像元件。摄像元件207被设置在从柱面透镜阵列205隔开焦点距离的位置上。摄像元件207与柱面透镜阵列205之间，可以不设置透镜。

[效果]

通过本实施方式涉及的分光器200，可以由莫列波纹形成器包含柱面透镜阵列205。因此，能够比使用狭缝阵列的情况，减少光量损失。此外，在莫列波纹形成器采用狭缝阵列的情况下，在狭缝阵列的位置上形成莫列波纹。因此，在莫列波纹的检测中，为了排除由于焦点偏差引起的模糊的影响，需要在从狭缝阵列隔开的位置上，使莫列波纹成像的转像透镜(例如图2的第三透镜106)等。另一方面，在莫列波纹形成器采用柱面透镜阵列205的情况下，在从柱面透镜阵列205隔开焦点距离的位置(焦点位置)上，形成莫列波纹。因此，摄像元件207，能够在柱面透镜阵列205的焦点位置，检测莫列波纹。换言之，在形成莫列波纹的位置上，能够直接设置摄像元件207，能够排除转像透镜。其结果，能够削减分光器200的部件数量，能够使分光器200小型化。

(实施方式3)

以下参考附图来说明实施方式3。实施方式3涉及的分光器与所述实施方式1以及2的不同之处在于，在输入侧以及输出侧的双方使用柱面透镜阵列，而不使用狭缝阵列。下面以与所述实施方式1以及2不同之处为中心，说明实施方式3。

[分光器的构成]

图11是示出实施方式3涉及的分光器300的构成的图。在图11，针对与图2以及图9大致相同的构成要素赋予相同的符号，适当省略说明。

如图11所示，分光器300具备：柱面透镜阵列101、第一透镜102、衍射光栅103、第二透镜104、柱面透镜阵列205、摄像元件207。

分光器300包含两个柱面透镜阵列101、205。输入侧的柱面透镜阵列101，与实施方式1同样，通过分离输入光110，从而形成第一条纹111。输出侧的柱面透镜阵列205，与实施方式2同样，根据被色散的第一条纹112形成莫列波纹313。

[效果]

如上所述，通过本实施方式涉及的分光器300，能够实现实施方式1以及实施方式2双方的效果。尤其，在分光器300，不会被狭缝阵列遮挡光，进一步减少光量损失。针对减少光量损失，利用图12A以及图12B来说明。

图12A是示出一般的分光器中色散光的检测结果的图表。图12B是示出实施方式3涉及的分光器中的莫列波纹的检测结果的图表。一般的分光器是指，只利用衍射光栅的角度色散特性，而不利用莫列波纹来测量光谱的分光器。

在图12A以及图12B，像素编号表示摄像元件的水平位置，扫描编号表示摄像元件的垂直位置。此外，光的强度表示，在摄像元件的各像素中测量的光的强度。在此表示在输入光为单色光的情况下的检测结果。通过一般的分光器与实施方式3涉及的分光器进行比较，可以知道光的强度的峰值几乎没有变化，但是用于形成莫列波纹的光量损失被抑制。

(其他实施方式)

以上基于实施方式对本发明的一个或多个方案涉及的分光器进行了说明，不过本发明并非受上述的实施方式所限。在不超出本发明的宗旨的范围内，将本领域技术人员想出的各种变形实施在本实施方式、或者将不同实施方式中的构成要素进行组合构筑的形式，也包括在本发明一个或多个方案的范围内。

例如，在所述各个实施方式中，柱面透镜阵列中，在单面形成有多个凸形状的透镜，但是透镜的形状不限于此。例如，柱面透镜阵列可以通过改变透镜内的折射率来实现。在这个情况下，柱面透镜阵列可以不具有凸形状透镜。此外，多个凸形状的透镜，可以在双面形成。换言之，柱面透镜阵列，只要具有与所述各个实施方式示出的柱面透镜阵列相同或类似的光学功能就可以，可以是任意形状。

此外例如，分光器可以具备光滤波器，用于去掉测量频带外的波长的光。通过了该波长滤波器的光作为输入光来使用，从而在测量频带内，能够以高精度测量输入光的光谱。此时，可以使波长滤波器的通带与时间一起变化。从而，能够在多个测量频带，测量输入光的光谱。

另外，在所述各个实施方式中，作为色散元件使用了衍射光栅，但不限于此。例如，作为色散元件，可以使用三棱镜或者标准具。

此外，在所述各个实施方式中，作为测量器使用了摄像元件，但不限于此。例如，作为测量器可以使用光电探测器或者感光膜。

此外，在所述各个实施方式中，分光器具备第一透镜以及第二透镜，但是这些透镜可以不必一定具备。例如，第一透镜或者第二透镜，可以设置为与柱面透镜阵列一体。

另外，在所述各个实施方式中，测量输入光的光谱的分光器，可以作为测量输入光的波长的波长测量装置来实现。在这个情况下，测量器，可以如图5以及图6所示，通过检测莫列波纹来测量输入光的波长。从而，能够抑制光量损失，又能提高波长的分辨率。

工业实用性

本发明的一个方案涉及的分光器，能够提高输入光的光谱测量的分辨率，能够适用于例如拉曼分光器等。

符号说明

100，200，300 分光器

101，205 柱面透镜阵列

102 第一透镜

103 衍射光栅

104 第二透镜

105，201 狭缝阵列

106 第三透镜

107，207 摄像元件

107p 像素

110 输入光

111，211 第一条纹

112，112a，112b，212 被色散的第一条纹

113，213，313 莫列波纹

Claims (3)

1.一种分光器，用于测量输入光的光谱，所述分光器具备：

条纹形成器，包括第一柱面透镜阵列，该第一柱面透镜阵列通过分离所述输入光，从而形成具有第一间距的第一条纹；

色散元件，使所述第一条纹色散；

莫列波纹形成器，通过将被色散的所述第一条纹与第二间距的第二柱面透镜阵列重叠，从而形成莫列波纹，所述第二间距是与所述第一间距不同的间距；以及

测量器，通过在所述第二柱面透镜阵列的焦点位置检测所述莫列波纹，从而测量所述输入光的光谱。

2.一种波长测量装置，用于测量输入光的波长，所述波长测量装置具备：

条纹形成器，包括第一柱面透镜阵列，该第一柱面透镜阵列通过分离所述输入光，从而形成具有第一间距的第一条纹；

色散元件，使所述第一条纹色散；

莫列波纹形成器，通过将被色散的所述第一条纹与第二间距的第二柱面透镜阵列重叠，从而形成莫列波纹，所述第二间距是与所述第一间距不同的间距；以及

测量器，通过在所述第二柱面透镜阵列的焦点位置检测所述莫列波纹，从而测量所述输入光的波长。

3.一种光谱测量方法，用于测量输入光的光谱，在所述光谱测量方法中，

通过使用第一柱面透镜阵列分离所述输入光，从而形成具有第一间距的第一条纹，

使所述第一条纹色散，

通过将被色散的所述第一条纹与第二间距的第二柱面透镜阵列重叠，从而形成莫列波纹，所述第二间距是与所述第一间距不同的间距，

通过在所述第二柱面透镜阵列的焦点位置检测所述莫列波纹，从而测量所述输入光的光谱。

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